基于AN增强的DFRC系统安全通信方法、装置及介质

本发明涉及无线通信领域，尤其是涉及一种基于ris辅助与an增强的dfrc系统安全通信方法。

背景技术：

1、双功能雷达通信(dual-function radar-communication，dfrc)系统日益受到研究者和工业界的关注。dfrc系统将通信和感知两种功能集成在一个统一的硬件平台上，通过共享物理资源和频谱，实现了雷达探测和无线通信功能的深度融合，从而极大提升了频谱利用效率和系统性能。然而，在实际应用中，由于频谱的共享使用和无线信道传输的广播特性，dfrc系统面临着严峻的安全问题挑战。特别是在存在非法用户窃听的情况下，确保dfrc系统的物理层安全，成为了一个亟待解决的关键问题。在dfrc系统中，需要借助一些辅助技术，并通过波束赋形设计以及其他的一些技术来同时保证用户数据安全以及通信和感知性能显得至关重要。

技术实现思路

1、本发明的目的是基于ris辅助与an增强的dfrc系统安全通信方法而提供一种基于ris辅助与an增强的dfrc系统安全通信方法。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、作为本发明的第一方面，提供一种基于an增强的dfrc系统安全通信方法，步骤包括：

4、采用ris技术改善dfrc安全通信系统信道环境；

5、在ris辅助改善的dfrc安全通信系统中引入an以优化dfrc系统的安全通信性能；

6、建立双功能雷达基站处接收的接收信号模型以及用户和窃听者接收信干噪比信号模型并构建系统安全速率模型；

7、根据系统安全速率模型构建系统安全速率最大化的双功能雷达通信基站的发射波束形成向量、ris反射相移矩阵和an噪声干扰向量联合优化问题；

8、在满足基站发射功率约束、ris反射单元单位模量约束以及合法用户信干噪比和双功能雷达通信感知信干噪比约束下条件下，利用交替优化算法，以最大化系统安全速率求解联合优化问题，得到dfrc系统的最优发射波束形成向量、最优ris反射相移矩阵和最优an噪声干扰向量。

9、作为优选技术特征，所述双功能雷达通信基站接收端接收到回波的信号表示为：

10、yr＝(ghφaφhg+b)wx+nr

11、其中，x是双功能雷达基站的发送信号；w表示双功能雷达通信基站发射机的波束成形向量；nr是零均值、单位方差的独立同分布的复高斯随机过程；

12、φ表示ris的反射相移矩阵：

13、

14、其中，表示反射元素的幅度和相移反射系数；

15、g表示双功能雷达通信基站与ris之间的信道矩阵；

16、a表示ris的目标响应矩阵：

17、a＝βa(θk)ah(θk)

18、其中，a(θk)是ris的波束成形向量；β表示包括路径损耗、反射系数和目标的复杂雷达截面的复杂路径损耗的路径损耗系数；

19、b表示基于双功能雷达基站参数的单态集成双功能雷达基站的目标响应矩阵：

20、b＝ξa(θk)ah(θk)

21、其中，ξ表示复杂的路径损耗系数。

22、作为优选技术特征，所述双功能雷达通信基站的接收回波信号的感知信干噪比表示为：

23、

24、r＝(ghφaφhg+b)

25、其中，σr表示双功能雷达通信基站处的加性高斯白噪声。

26、作为优选技术特征，所述合法用户及窃听者的速率表示为：

27、ri＝ln(1+sinri)，i∈{c，e}

28、其中，下标{c，e}分别代表合法用户和窃听者；

29、所述用户接收机的信干噪比表示为：

30、

31、

32、其中，是ris和用户之间的下行信道；是双功能雷达通信基站和用户之间的下行信道；σc表示用户处的加性高斯白噪声；

33、所述窃听者的信噪干比表示为：

34、

35、

36、其中，表示ris和窃听者之间的下行信道；表示双功能雷达通信基站和窃听者之间的下行信道；σe表示窃听者处的加性高斯白噪声。

37、作为优选技术特征，所述建立基于ris辅助以及an增强的的dfrc安全通信模型，在满足基站发射功率约束、ris反射单元单位模量约束以及合法用户信干噪比和双功能雷达通信感知信干噪比约束下条件下，最大化系统安全速率：

38、

39、s.t.sinrc≥η

40、whw+w1hw1≤p

41、sinrr≥μ

42、

43、其中，r表示系统安全速率，即用户速率减去窃听者速率；sinrc，sinrr分别表示用户接收机及双功能雷达通信基站的接收回波信号的信噪干比；w表示双功能雷达通信基站的发射波束形成向量；w1表示an噪声干扰向量；表示反射元素的幅度和相移反射系数；η表示用户接收机满足安全通信的信干噪比阈值；p表示双功能雷达通信基站的发射功率；μ表示双功能雷达通信基站满足通信和感知所需最小信干噪比。

44、作为优选技术特征，所述方法使用交替优化算法求解联合优化问题，通过迭代求解的方式来寻求最优值，具体如下：

45、固定ris反射相移矩阵φ和an噪声干扰向量w1不变，确定使系统安全速率最大化的最优波束形成向量w；

46、在保持w和φ不变的情况下优化w1；

47、在给定w和w1的情况下优化φ；

48、重复上述交替优化迭代过程直到收敛。

49、作为优选技术特征，固定所述ris的反射相移矩阵φ以及an噪声干扰向量w1之后，通过解决以下问题来优化双功能雷达通信基站的波束形成向量w：

50、

51、s.t.sinrc≥η

52、whw+w1hw1≤p

53、sinrr≥μ

54、通过引入两个引理和使用分式规划的方法将优化问题转化为线性以后对约束条件一阶泰勒展开将优化问题p1转换为以下形式：

55、

56、s.t.2re{w(n)，huw}-w(n)，huw(n)≥η

57、whw+w1hw1≤p

58、2re{w(n)，hcw}-w(n)，hcw(n)≥μ

59、固定ris反射相移矩阵φ和波束形成向量w来优化an向量w1：

60、

61、s.t.2re{w(n)，hc2w}-w(n)，hc2w(n)≥η

62、whw+w1hw1≤p

63、2re{w(n)，hr2w}-w(n)，hr2w(n)≥μ

64、固定波束形成向量和人工噪声向量，优化ris反射矩阵：

65、将p3中的优化问题的目标函数转换为以下形式：

66、

67、将用户安全速率约束条件转换为以下形式：

68、

69、问题p3重新表述为：

70、

71、s.t.sinrc≥η

72、

73、sinrr≥μ。

74、作为优选技术特征，所述方法应用sdp方法来解决非凸问题p4，引入辅助变量将问题转化为qcqp问题，问题重写为：

75、

76、

77、

78、

79、通过去掉秩一约束转化为凸优化问题，使用内点法来最优求解；在获得之后，采用高斯随机化方法来获得该问题的近似解，获得ris反射相移矩阵φ。

80、作为本发明的第二方面，提供一种电子设备，包括：

81、一个或多个处理器；

82、存储器，用于存储一个或多个程序；

83、当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如上所述的基于an增强的dfrc系统安全通信方法。

84、作为本发明的第三方面，提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的基于an增强的dfrc系统安全通信方法的步骤。

85、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

86、1)本发明通过引入ris技术，并结合an噪声干扰，本发明能够实现对dfrc系统安全速率的显著提高。ris的引入改善了信道环境，而an噪声的加入则有效抑制了窃听者的信干噪比(sinr)，从而保障了合法用户通信的sinr，进一步提升了系统的安全速率。这种联合优化策略在确保基站发射功率和ris单位模数约束的前提下，最大化了系统总体安全速率。

87、2)增强系统抗干扰能力：在复杂的信道环境中，通信信号往往容易受到各种干扰的影响。本发明通过ris的被动反射相移矩阵和an噪声的联合设计，有效增强了dfrc系统的抗干扰能力。ris能够根据信道环境动态调整反射相移，而an噪声则能够针对性地降低窃听者的接收信号质量，从而提高了系统在复杂环境中的稳定性和可靠性。

88、3)优化资源配置与能效比：本发明通过联合优化ris反射相移矩阵、an噪声干扰向量和双功能雷达通信基站波束形成向量，实现了系统资源的优化配置。这种优化策略能够在满足安全通信需求的同时，降低系统功耗，提高能效比。这对于现代通信和雷达探测领域来说，具有重要的实际应用价值。

89、4)提供灵活多样的应用场景：本发明提出的基于an增强的dfrc系统安全通信方案具有灵活性和可扩展性，可以适用于多种应用场景。无论是军事领域的通信保密需求，还是民用领域的无线通信安全，本发明都能够提供有效的解决方案。此外，随着技术的不断发展，本发明还可以与其他先进技术相结合，为未来的通信和雷达探测领域带来更多的可能性。